İletkenler ve İzolatörler: Bunlar Nedir ve Neden Önemlidir? (Çizelge ile)

Elektrik devrelerini ve insanların evlerindeki ışıklardan elektrikli trenlere (ve, Zamanla, elektrikli arabalar) onları çalıştıran, önce elektrik akımının ne olduğunu ve akımın nelere izin verdiğini anlamalısınız. akış.

Elektrik akımı, çok, çok küçük bir negatif yük taşıyan neredeyse kütlesiz atom altı parçacıklar olan hareketli elektronların sonucudur. Güç kablolarından veya televizyonunuzdan "akan" (genellikle elektriğin adı verilir) "meyve suyu"nu duyduğunuzda, bu, bir devredeki tellerden elektron akışını ifade eder. Metal teller, elektrik taşımak için özel olarak seçilmiştir, çünkü nispeten düşükelektrik direnci​.

Elektronlar, güneş etrafında çok uzak mesafelerde dönen kuyruklu yıldızlar gibi, akımlar için bir ortam görevi görebilirler, atom çekirdeğinin dışında bulunurlar. protonların ve nötronların "yaşadığı" ve her iki nükleer parçacıktan önemli ölçüde daha az kütleli olduğu (ve protonlar ve nötronlar kendi başlarına çok hafiftir) sağ).

Farklı elementlerin atomları kütle, parçacık sayısı ve diğer doğal yollarla farklılık gösterir ve benzersizdir. Her atomun konfigürasyonu, onun iyi bir iletken, zayıf bir iletken (yani bir yalıtkan) veya başka bir şey olup olmadığını belirler. arasında.

Elektrik akımı (ile temsil edilirbenve ölçülenamperveya A) akışıdırelektrik şarjı(ile gösterilirqve ölçülencoulomb'larveya C) bakır tel gibi bir iletken ortam aracılığıyla elektronlar şeklinde. Elektronlar bir maddenin etkisiyle hareket eder.elektrik potansiyeli (voltaj) farkıtel boyunca noktalar arasında, deneyimleyerekdirenç(ile temsil edilen$ve ölçülenohmveya Ω).

• Tüm bu fizik tarafından düzgün bir şekilde yakalanırOhm yasası​:

Geleneksel olarak, pozitif bir terminalin veya yükün yanına yerleştirilen bir pozitif yük, diğer her şey aynı şekilde, daha uzaktaki noktalarda olduğundan daha yüksek elektrik potansiyeline sahiptir. Voltaj, Coulomb başına joule veya şarj başına enerji olan J/C birimlerine sahiptir. Bu mantıklı, çünkü gerilimin yükler üzerindeki etkisi, kütleçekiminin kütleler üzerindeki etkisine benzer.

Herhangi bir nokta sıfır voltaj veya yerçekimi potansiyel enerji noktası olarak seçilebilirken, belirli bir kütle her zaman yerçekimini kaybeder. Dünya'nın merkezine yaklaştıkça potansiyel enerji ve pozitif bir yük her zaman elektriksel potansiyel enerjiyi kaybeder (ki bu yazılıqE) kaynak pozitif yükten uzaklaştıkça.

Size sunulanlar göz önüne alındığında, elektronların ters yönde aktığını fark etmiş olabilirsiniz. pozitif yükler ve bu nedenle akım elemanları olarak akış sırasında elektrik potansiyelini kaybederler.

Bu, gökten düşen ve Dünya'ya yaklaşırken yerçekimi potansiyel enerjisini kaybeden bir piyanoya benzer. (artan kinetik enerji şeklinde korunan enerji) ve hava nedeniyle sürtünme (ısı) enerji kayıpları direnç.

Bir telde akımın arttığını hayal ettiğiniz gibi, belirli bir noktadan geçen elektronların sayısının da arttığını ve aynı şeyin akım azalmalarına uygulandığını hayal edin.

• Tek bir elektronun yükü -1.60 × 10^-19 C, bir protondaki bu +1.60 × 10 iken^-19 C. Bunun anlamı (1/1.60 × 10^-19) = 6.25 × 10¹⁸ (6 kentilyon) proton sadece 1.0 C'lik şarjı oluşturmak için.

Elektronların bir malzeme içinde ne kadar kolay hareket edebileceği o malzemenin özelliklerine bağlıdır.iletkenlik. İletkenlik, genellikle σ (Yunanca sigma harfi) ile ifade edilir, maddenin bazılarına daha önce değinilen belirli içsel özelliklerine bağlı olan bir madde özelliğidir.

En önemlisi kavramıserbest elektronlarveya çekirdekten uzakta serbestçe "dolaşabilen" bir atoma ait elektronlar. (Atomik terimlerle "uzak"ın hala normal standartlarda inanılmaz derecede kısa bir mesafe anlamına geldiğini unutmayın.) Herhangi bir atomdaki en dıştaki elektronlara denir.değerlik elektronlarıve bakırda olduğu gibi bunlardan sadece biri olduğunda, elektron "özgürlüğü" için ideal durum kurulur.

İyi elektrik iletkenleri akımın neredeyse engellenmeden akmasına izin verirken, spektrumun diğer ucunda iyi yalıtkanlar bu akışa direnir. Günlük ametal malzemelerin çoğu iyi yalıtkanlardır; olmasaydı, ortak nesnelere dokunduktan sonra sürekli olarak elektrik çarpması yaşardınız.

Belirli bir malzemenin ne kadar iyi ilettiği, bileşimine ve moleküler yapısına bağlıdır. Genel olarak, metal teller elektriği nispeten kolaylıkla iletir, çünkü dış elektronları ilişkili atomlara daha az sıkı bağlıdır ve dolayısıyla daha özgürce hareket edebilir. Kaynaklarda olduğu gibi periyodik bir element tablosuna başvurarak hangi malzemelerin metal olduğunu belirleyebilirsiniz.

• Beton, metallerden çok daha az iletken olmasına rağmen, yine de dengeli bir iletken olarak kabul edilir. Bu, dünya şehirlerinin ne kadar yüksek oranda beton içerdiği göz önüne alındığında önemlidir!

• Açıklamayı düşünün "Çoğu iletken malzeme, farklı sıcaklıklarda farklı dirençlere sahiptir.." Bu doğru mu yanlış mı? Cevabını açıkla.

Günlük yaşamda iletken malzemelerden daha fazla yalıtkan malzeme vardır, bu mantıklıdır. Yalıtım malzemelerine yönelik katı gereksinimler, yalnızca günlük yaşamdan ciddi düzeydeki tehlikeleri ortadan kaldırır. süreçler. Kauçuk, ahşap ve plastik hem her yerde bulunur hem de çok kullanışlı yalıtkanlardır; pratikte herkes uzatma kablolarının etrafındaki karakteristik turuncu boruyu tanımayı öğrenir.

Elektrikli aletleri ve suyu karıştırmanın bilinen tehlikeleri göz önüne alındığında, çoğu insanı saf suyun bir yalıtkan olduğunu öğrenmek şaşırtıyor. Gerçekte safsızlık içermeyen hidrojen ve oksijenden oluşan su nadirdir ve yalnızca laboratuvar ortamında damıtılarak elde edilebilir. Günlük su genellikle "normal" suyun fiili bir iletken haline gelmesine izin vermek için yeterli sayıda iyon (yüklü molekül) içerir.

Yalıtkanlar, tahmin edeceğiniz gibi, değerlik elektronlarının çekirdeğe metallere göre çok daha sıkı bağlı olduğu malzemeler içerir.

​özdirençbir malzemenin elektron akışına karşı direncinin bir ölçüsüdür. Ohm-m (Ωm) cinsinden ölçülür, iletkenliğin kavramsal ve matematiksel tersidir. Genellikle ρ (rho) ile gösterilir, yani ρ = ​​1/σ. Direncin, bilinen direnç değerlerine sahip bir devrede dirençlerin yerleştirilmesinin fiziksel olarak manipüle edilmesiyle belirlenen (veya belirlenebilen) dirençten farklı olduğuna dikkat edin.

Bir teldeki özdirenç ve direnç aşağıdaki denklemle ilişkilidir:

nerede$ve ρ direnç ve özdirençtir veLvebirtelin uzunluğu ve kesit alanıdır. İzolatörlerin direnç değerleri 10 mertebesindedir.¹⁶ Ωm, metaller ise 10 aralığında kontrol eder.^-8Ωm. Oda sıcaklığında, tüm malzemelerin ölçülebilir bir direnç derecesi vardır, ancak iletkenlerdeki direnç miktarı küçüktür.

• Çoğu malzemenin direnci sıcaklığa bağlıdır; genellikle, daha düşük sıcaklıklarda direnç azalır.

Bazı malzemeler, yeterince düşük sıcaklıklarda 0 direnç durumuna ulaşır. Bunlara denirsüper iletkenler. Ne yazık ki, süperiletkenlik için gereken sıcaklıklara ulaşmak - bu, eğer aşağıdaki durumlarda neredeyse hesaplanamaz küresel enerji tasarrufu ile sonuçlanacaktır. dünya çapında mevcut teknolojiye yayılabilir - laboratuvarda 21. yüzyılın başlarından itibaren son derece düşük elde edilebilir ayarlar.